För första gången har forskare mätt hur mycket enskilda celler växer i realtid. Det kanske låter enkelt, men det är faktiskt en skrämmande teknisk bedrift. Det är som att mäta vikten av ett litet sandkorn under ett elektronmikroskop när mikroskopiskt vatten avdunstar runt det, medan själva sanden hela tiden genomgår en subtil förändring i kemisk sammansättning. Som jämförelse liknar dessa experiment att mäta tillväxten hos en mänsklig baby med en precisionsskala som är tillräckligt känslig för att upptäcka ett enda sandkorn under en 9-månaders dräktighet. Och ändå har detta djupgående konsekvenser för vår förståelse av människors hälsa, eftersom dessa mätningar visar hur celler använder energi och reagerar på sin miljö.

"Detta kommer att tillåta oss att studera alla möjliga grundläggande biologiska processer som en funktion av cellstorlek", säger Daniel Needleman, fysiker och bioingenjör vid University of California, Berkeley, och medledare för forskargruppen. "Nu när vi har möjlighet att göra dessa mätningar kan vi faktiskt fråga:Hur varierande är tillväxten av en cell? Hur känslig är den för störningar? Hur beror tillväxten på de näringsämnen eller miljön som cellen befinner sig i? Vad händer med tillväxten när celler blir cancerösa och slutar svara på normala tillväxtsignaler?"

"Detta är verkligen en teknisk milstolpe inom encellig biologi", tillägger Nevan Krogan, en kvantitativ biolog vid University of California, San Francisco (UCSF) och medledare för forskargruppen. "Det kommer att vara transformativt för hela samhället och öppna nya möjligheter för att studera grundläggande biologi och sjukdomsmekanismer på encellsnivå."

Needleman och Krogan är medförfattare till en studie som beskriver plattformen och dess första resultat, publicerad idag (12 maj 2022) i tidskriften Cell. Medan en handfull grupper har mätt massan av populationer av celler tidigare, utvecklade denna grupp den första plattformen för att väga enstaka celler i realtid när de växer.

De fann att tillväxthastigheten för en enskild cell är konstant; det vill säga dess massa ökar stadigt över tiden. Intressant nog betyder detta att en cells ämnesomsättning per massenhet minskar när den växer. Med andra ord är en mindre cell effektivare på att omvandla energi från sin miljö till tillväxt än en större cell. Dessutom visade forskarna att deras metoder kunde användas för att mäta effektiviteten med vilken celler tar in och omvandlar externa näringsämnen till tillväxt.

”Som kvantitativ biolog har jag blivit passionerad av att använda exakta, kvantitativa metoder för att studera problem som tills nyligen var för utmanande eller omöjliga att mäta. För att kunna bidra måste man bygga dessa nya mätverktyg”, säger Krogan. "Denna ansträngning krävde att vi utvecklade nya experimentella och beräkningsmetoder och förde samman forskare med olika bakgrund. Det hade inte varit möjligt om vi arbetat isolerat.”

Vägning av det ovägbara

Den nya plattformen – kallad mikrofluidikvägning – kombinerar mikrofluidik, som möjliggör exakt manipulering av vätskor på submillimeterskalan, med kvantitativ fasavbildning, en relativt ny mikroskopiteknik som direkt mäter massan av ett föremål baserat på hur mycket det böjer ljus.

"Den första tekniska utmaningen är helt enkelt att manipulera och fånga celler", förklarar Daniel Fletcher, en bioingenjör vid UC Berkeley och medförfattare till studien, vars labb utvecklade den mikrofluidiska plattformen. "Du vill inte att hundratusentals celler ska köra genom ditt system, för då vet du inte vilken cell du mäter. Men man vill inte heller mäta en cell i taget, för det skulle ta för lång tid. Så vi fångar tiotals eller hundratals celler åt gången och flödar media över dem så att de får de näringsämnen de behöver för att överleva, men de förblir fångade där. Sedan kom bildteamet in för att optimera och implementera kvantitativ fasavbildning."

För att uppnå kvantitativ fasavbildning lyste forskarna en ljusstråle genom en mikrokanal och på cellerna, och fångade en bild av ljuset när det dök upp på andra sidan. Om det inte fanns någon cell i kanalen skulle ljusets vågfront vara ostörd. Men när en cell är närvarande, böjs ljuset, något som förändrar vågfronten. Denna förändring i vågfront kan beräkningsmässigt omvandlas direkt till cellens massa.

"Genom att mäta fasförskjutningen av ljuset när det passerar genom en cell, härleder vi materialets lokala brytningsindex, vilket är direkt relaterat till cellens densitet", förklarar studiens medförfattare Aydogan Ozcan, professor i elektroteknik och datavetenskap och chef för Integrated Optics Lab vid UCLA. "Eftersom vi känner till cellens kemiska sammansättning och densiteten av dess komponenter, gör det det möjligt för oss att exakt bestämma cellens massa."

"Dessa mätningar är verkligen känsliga", säger Needleman. "Vi kan mäta förändringar i massan av en enskild cell som motsvarar mindre än 1 000 vattenmolekyler som läggs till cellen."

När celler i mikrofluidkammaren absorberade näringsämnen från sin omgivning expanderade de och växte i massa, som förväntat.

"Men vi märkte att tillväxthastigheten inte förändrades när cellerna blev större", säger Needleman. "Detta betyder att den metaboliska motorn i en liten cell faktiskt är effektivare för att omvandla energi till tillväxt än motorn i en större cell."

Teamet hoppas att andra forskare kommer att anta och ytterligare förfina sin teknologi för att studera tillväxten av många olika typer av celler under olika förhållanden och miljöer, inklusive sjukdomstillstånd.